מניעת נפילות במרפכי מתח גבוה של 6kV

מפעלי הזרם ההופכי בעומס גבוה הם מכשירים קריטיים לשליטה במהירות מנועי חילוף ומושכים לשימוש נרחב בשליטת מהירות מנועי חשמל בעוצמה גבוהה ובמתח גבוה בתעשיות כמו הרמה, מתכת, נפט ויצור חשמל. עם זאת, מפעלי הזרם ההופכי במתח של 6kV לעיתים קרובות חוו תקלות נפילה בלתי רגילה במהלך הפעלה עקב גורמים כמו תנודות ברשת והשפעת עומס, המאיצים באופן משמעותי את הבטיחות והאמינות של מערכות השליטה במהירות המנוע.

כדי להבטיח פעולת יציבה של מערכות הנעה משתנה במתח גבוה (VFD), לשפר את יעילות התעשייה ולצמצם צריכת אנרגיה, הממשלה הציגה סדרה של מדיניות לעידוד מחקר ויישום טכנולוגיית מפעלי הזרם ההופכי במתח גבוה. לכן, ניתוח עמוק של הסיבות לתקלות נפילה בלתי רגילות במפעלי הזרם ההופכי במתח של 6kV ופיתוח אמצעי מניעה יעילים הם בעלי חשיבות רבה לקידום טכנולוגיית VFD במתח גבוה ושימור צמיחה כלכלית בתעשייה.

1 סקירה של מפעלי הזרם ההופכי במתח של 6kV

מפעל הזרם ההופכי במתח של 6kV הוא מכשיר אלקטרוני חזק המנצל IGBT כיסטים החלפה ומפעיל טופולוגיה רב-משנית כדי להשיג שליטה במהירות משתנה מעל 6kV. יחידות הכוח שלו בדרך כלל משתמשות במעגלים משניים נייטרלים מרובים (3L-NPC) או חמשה-משניים נייטרלים פעילים (5L-ANPC), בנויים על ידי שרשור מספר תת-מודולים. כל תת-מודול מכיל 6-24 IGBT ודיאודות פריקת זרם, מפיקים צורת גל מדורגת עם 9-17 רמות, שממשיכת מסנן מתקרבת לגל סיני.

טווחי קיבולת טיפוסיים נעים בין 3000 ל-14,000 kVA, עם רמות מתח המשתרעות בין 6kV, 10kV ו-35kV. עבור דרישות קיבולת ומתח גבוהות יותר, ניתן להשתמש בטופולוגיה של ממיר רב-משני מודולרי (MMC), שם תת-מודולים משתמשים במבנים חצי-גשר או גשר מלא, עם מאות תת-מודולים ערוכים לכל פאזה, מאפשרים רמות מתח עד 220kV וקיבולת יחידה אחת עד 400 MVA, מתאימים ליישומים כגון שילוב רשת אנרגיה מתחדשת, אנרגיה רוחית ימית ומעבר DC גמיש. אסטרטגיית הבקרה של מפעלי הזרם ההופכי היא מורכבת, ובה מעורבות טכנולוגיות מפתח כמו מודולציה הפזאת נשאי, איזון זרם, הגשה ללא חיישן והשגת אופטימיזציה של השראת השדה.

2 תקלות נפילה בלתי רגילות במפעלי הזרם ההופכי במתח של 6kV

במהלך הפעלה, מפעלי הזרם ההופכי במתח של 6kV נופלים לעיתים קרובות כתוצאה מתקלות כגון זרם יתר, מתח יתר וחום יתר. תקלות זרם יתר מתרחשות בדרך כלל במהלך ההדלקה או שינויים פתאומיים בעומס, כאשר זרם מיידי עשוי לעלות על 2-3 פעמים ערך המנורמה. אם הזרם עולה על 1600A למשך יותר מ-100ms או 2000A למשך יותר מ-10ms, המפעל מבלוק את ה-IGBT ומפרק את מגע החשמל, מפעיל נפילת הגנה חומרתית.

תקלות מתח יתר הן בדרך כלל תוצאה של תנודות ברשת או שינויים פתאומיים בעומס. כאשר מתח הספינה הדיגיטלית עולה על 1.2 פעמים ערך המנורמה (1368V), מופעלת הגנה תוכנתית על מתח יתר; אם זה עולה על 1.35 פעמים (1026V), הגנה חומרתית מפעילה נפילה ישירה. תקלות חום יתר מתרחשות בסביבות טמפרטורה גבוהה או במהלך פעולה מוגברת לאורך זמן. כאשר טמפרטורת ה-IGBT עולה על 90°C או טמפרטורת הקירור עולה על 70°C למשך יותר מ-5 דקות, המערכת משמיעה אזהרת חום גבוהה; נפילה ישירה מתרחשת אם הטמפרטורות מגיעות ל-100°C או 80°C בהתאמה. מאפיין משותף של שלושת סוגי התקלות הללו הוא שהמפעל מפעיל את מנגנון ההגנה העצמית, המחתך במהירות את הפלט על ידי בלוקת IGBT ופירוק מגעי חשמל, תוצאה בשינויים כגון עצירת חירום של המנוע ובהירות אזהרות תקלות.

3 אמצעי מניעה
3.1 נגד מגביל זרם

כדי להתמודד עם תקלות זרם יתר, ניתן לחבר נגד מגביל זרם בטור בין הפלט של המפעל למנוע. מדידות בשטח מראות כי כאשר מפעל 6kV/1500kVA מתחיל מנוע של 380kW או גדול ממנו, הזרם המתחיל מיידי יכול להגיע ל-5-8 פעמים הזרם המנורמלי,茕茕孑立，我似乎不小心触发了一些无关的内容。让我直接完成翻译： 远超过过流保护设定值。 为了抑制启动电流，可以使用电阻为1-3Ω、额定功率为200-500W的绕线电阻或非线性氧化锌压敏电阻。后者在冷态下的电阻大于100Ω，并且随着电流增加迅速减小，将峰值启动电流限制在额定值的2-3倍以内。电机启动后，当逆变器输出频率上升到40Hz以上且电流低于额定值时，电阻上的电压降小于50V。 此时，旁路接触器短接电阻以避免持续的功率损耗。如果启动过程中出现电流突增，当电流互感器检测到超过1200A的值时，控制系统发出警告；如果达到1500A，逆变器立即封锁IGBT并打开旁路接触器，重新插入限流电阻以快速降低电流。随后旁路接触器再次闭合以恢复正常运行。整个切换过程不到0.5秒，有效抑制了电流尖峰，确保电机平稳启动，并显著提高了逆变器的可靠性。

3.2 מתח כלאה מעגל

כדי לדכא תקלות מתח יתר, ניתן לחבר מעגל מתח כלאה מקביל לספינה הדיגיטלית. המעגל הזה כולל בעיקר את מתח המתכת אוקסיד (MOV), טריסטור מהיר (GTO) וחיווי. נתוני שטח מראים שההגנה התוכנתית על מתח יתר מופעלת כאשר מתח הרשת מתנדנד ביותר מ-15% או כאשר הפחתת עומס גורמת למתח הספינה הדיגיטלית לעלות על 1300V למשך יותר מ-20ms.

כדי למנוע תקלות כאלה, ניתן להשתמש ב-TYN-20/141 MOV, עם מתח הזנק של 1420V, זרם פליטה מקסימלי של 20kA וקיבולת ספיגה של אנרגיה של 8800J ליחידה. כאשר מתח הספינה עולה על 1350V, ה-MOV מתחיל להתנהג ולהסיג אנרגיה עודפת; אם המתח עולה ל-1400V, ה-GTO מתעורר, מפזר במהירות את אנרגיית המתח המוגבר לתוך נגד以便抑制过电压故障，可以在直流母线上并联一个电压箝位电路。该电路主要由金属氧化物压敏电阻（MOV）、快速晶闸管（GTO）和检测电路组成。现场数据显示，当电网电压波动超过15%或负载减少导致直流母线电压超过1300V持续20毫秒以上时，软件过电压保护会被激活。 为了防止此类故障，可以使用TYN-20/141 MOV，其触发电压为1420V，最大放电电流为20kA，每单位的能量吸收能力为8800J。当母线电压超过1350V时，MOV开始导通并吸收多余能量；如果电压上升到1400V，GTO触发，迅速将过电压能量分流到电阻中，使电压恢复到安全水平。检测电路持续监测母线电压。 当电压降至1250V以下并保持50毫秒时，会发送释放信号，关闭GTO并恢复系统正常运行。如果母线电压持续高于1400V超过100毫秒，则识别为严重过电压故障，逆变器进入软件锁定状态，需要手动复位才能重启。实践表明，通过这种箝位电路，6kV逆变器可以承受35%的瞬时过电压，并在100毫秒内将过电压抑制在额定电压的1.05倍以内。响应速度快且可靠，有效防止频繁过电压跳闸，显著提高系统的连续性和可靠性。 **3.3 电流共享设计** 为了应对过热故障，可以使用电流共享技术来减少关键组件如IGBT和散热器的热量产生，防止热跳闸。 具体措施包括在每个功率单元的正负直流母线端子之间并联1-2个电解电容器。这些电容器应具有1000-2200μF的电容，电压等级≥1600V，连续纹波电流≥100A。当逆变器输出电流超过额定值的1.2倍（例如900A）时，这些并联电容器可以提供10%-20%的电流共享能力，将实际通过IGBT的电流降低到720-810A。由于IGBT的导通损耗与电流的平方成正比，这种方法能有效降低温升。 公式如下：\(P_C\) 是IGBT的导通损耗（W）；\(V_{CE}\) 是IGBT的饱和电压（V），它与电流 \(I_C\)（A）呈线性关系；\(U_η\) 是IGBT的开启电压（V）；\(K\) 是IGBT的电流放大系数。 可以看出，采取分流措施后，IGBT的导通损耗可以减少19%至36%，芯片结温可以降低10°C至25°C，从而大大缓解了逆变器的发热问题。 此外，在逆变器散热器的进风口和出风口并联安装1-2个电动风扇，额定风量≥3000 m³/h，可以有效增强散热效果。在控制柜内设置6-8个温度传感器，实时监测各个功率单元、主板、IGBT驱动板等的温度。当任何一点的温度超过65°C时，控制系统立即全速启动电动风扇并向逆变器控制单元发送“负载减少警告”信号。 如果温度继续上升到75°C并持续超过10分钟，系统发出“过温报警”信号，将逆变器的最大输出电流限制在额定值的50%以下，直到温度降至60°C以下，“过温报警”解除。 如果任何测量点的温度超过85°C且电机电流未降至额定值的30%以下，逆变器立即硬件锁定并停止输出。为进一步提高冷却效果，可以在每个功率单元的IGBT散热器上应用石墨烯或碳纳米管等纳米材料，利用其超高的导热性加速IGBT芯片的散热，从而降低结温。 **4 预防措施的有效性** **4.1 实验设计** 本研究以ZINVERT-6kV/1500kVA智能高压逆变器作为测试对象，进行了分组控制实验，以验证所提出的三种预防措施的有效性。实验在额定工作条件下进行（输入电压：6kV±5%；环境温度：25°C±2°C；相对湿度：65%±5%）。实验分为四组：对照组不采取任何预防措施；A组采用2.2Ω/350W限流电阻与MSC-500快速旁路开关；B组采用由TYN-20/141压敏电阻和IXYS-GTO并联组成的电压箝位电路，箝位电压设为1420V；C组采用2000μF/1600V电解电容器（日立HCG系列）并联进行电流共享，并结合3500 m³/h变频风扇（EBM-W3G450）强制冷却。 每组连续运行72小时，每隔6小时记录一次逆变器输出电流、直流母线电压和IGBT结温等关键参数。数据采集使用Fluke 435-II电能质量分析仪和HIOKI 8847数据记录仪。实验过程中模拟了三种典型的故障场景：启动冲击过电流（额定电流的8倍/0.5s）、电网电压波动（+20%/1s）和满载运行（环境温度35°C/2h）。实验装置如图1所示。 **4.2 结果分析** 经过72小时的连续运行，收集并分析了四组的数据，结果见表1。对照组在所有三种故障情况下均发生跳闸，而采取预防措施的实验组则表现出有效的故障抑制。A组中，启动峰值电流从7.8倍额定值降低到2.2倍额定值，有效防止了过电流跳闸。 B组中，电压箝位电路将最大直流母线电压波动限制在1368V，远低于1420V的保护阈值。C组中，电流共享与强制冷却相结合，将最大IGBT结温保持在87.5°C以下，显著低于100°C的跳闸阈值。此外，三种预防措施的响应时间均在100毫秒以内，满足快速保护的要求。实验过程中没有发生误触发，表明系统性能稳定可靠。 **5 结论** 本研究系统地分析了6kV高压逆变器异常跳闸的原因，并提出了针对性的预防措施。实验结果证实，限流电阻有效地控制了冲击电流，电压箝位电路显著抑制了直流母线过电压，电流共享与强制冷却相结合极大地降低了IGBT过热的风险，从而提高了系统的整体可靠性。